Thermische ingenieurs zijn van oudsher betrokken bij het ontwerp en de ontwikkeling van processen en producten zoals warmtepompen, motoren, turbines en compressoren.

Maar ook als je geen thermisch ingenieur bent kun je te maken krijgen met thermische problemen die goed geëvalueerd moeten worden om productstoringen te voorkomen en ontwerpen te optimaliseren.

Met dit artikel willen we niet-thermische ingenieurs tonen hoe ze de effecten van warmte en krachten op de mechanische eigenschappen van materialen kunnen modelleren. We geven een voorbeeld van de betrokken stappen met een Printed Circuit Board (PCB).

Thermisch-mechanische engineering

Waar warmte of kracht en mechanische componenten met elkaar in botsing komen, betreden we het gebied van de thermische-mechanische engineering. Wij zien de behoefte aan thermische engineering groeien, bijvoorbeeld op het gebied van de elektronica. Warmte is een van de belangrijkste oorzaken van elektronische storingen.

Door warmte toe te passen worden materialen vervormd. Het kan de structurele betrouwbaarheid aantasten of de sterkte verbeteren. Hoe dan ook, u wilt weten welke effecten warmte heeft. Met thermische simulatie kunt u probleemgebieden definiëren en zwakke punten in het ontwerp verhelpen. Betere ontwerpen verlagen de tijd en kosten van prototypes en latere tests.

PCB voorbeeld

Een Printed Circuit Board (PCB) zal onderhevig zijn aan een warmteontwikkelingsbelasting die op de chip wordt uitgeoefend. Als we de thermische karakteristieken van dit proces willen begrijpen, kunnen we een warmte-overdracht analyse uitvoeren. Hoe werkt zo’n simulatie en wat voor parameters zijn van belang? Wat vertellen de resultaten ons? Al deze stappen worden in dit artikel geschetst met FEA-gereedschappen Femap/NX Nastran.

Van eenvoudig naar complex

Met uw model wilt u belangrijke kenmerken vastleggen en inzicht verwerven. U begint dus met een eenvoudig model en voegt complexiteit toe tot zekerheid is bereikt over de geldigheid van de resultaten. Door op deze manier te werken zult u in staat zijn om op een kosteneffectieve manier antwoorden te geven. Er zijn drie hoofdstappen voor het opzetten van een FEM-model:

• Geometrie creëren/importeren
• Meshing van het model
• Toepassen van randvoorwaarden

Voor thermische analyse is de CAD geometrie meestal te gedetailleerd. De eerste stap is dus het vereenvoudigen van de geometrie of het creëren van een nieuwe geometrie. Dit laatste is wellicht niet zo kosteneffectief. De moeilijkste en belangrijkste stap is het toepassen van de juiste randvoorwaarden.

Randvoorwaarden omvatten, maar zijn niet beperkt tot: toegepaste belastingen, beperkingen en materiaaleigenschappen. Voor thermische analyse is een zeer belangrijke parameter het materiaal en zijn eigenschappen, in het bijzonder de thermische eigenschappen zoals thermische geleidbaarheid. De reden hiervoor is dat thermische eigenschappen de snelheid en richting van de warmteverdeling en de plaatsen van de thermische spanningen bepalen, en dat is nu precies wat we met thermische analyse proberen te achterhalen.

Zodra de juiste grenzen zijn aangebracht, bent u klaar om de analyse uit te voeren. Nadat de analyse is uitgevoerd, kunt u controleren of de vervormingen zijn zoals verwacht.

Bij Femto Engineering werken we met thermische specialisten en gespecialiseerde tools zoals de Femap Thermal Solver, Simcenter 3D en STAR-CCM+. Als u hulp nodig heeft bij uw thermische vraagstukken, aarzel dan niet om contact met ons op te nemen!  

We hopen dat dit helpt. Bedankt voor het lezen!  Als u dit artikel leuk vond, doe dan de groeten aan ons op Twitter, Facebook of LinkedIn.